Modélisation d'un tribogénérateur portable autonome basé système intégré sur textiles

Study of triboelectric nanogenerators

• Auteur / Autrice : Gaëtan Vauche
• Direction : Christophe Corbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-électronique
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'analyse des signaux et des processus industriels (Roanne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Aurélien Saulot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Castellon, Eric Dantras, Mohamed El Badaoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélien Saulot, Sophie Bistac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maxwell, Équations de

Électromagnétisme

Microélectronique

Triboélectricité

Mots clés libres

Nanogénérateurs

Triboélectricité

Micro-électronique

Électromagnétisme

Formules de Maxwell

Nanogenerators

Triboelectricity

Microelectronics

Electromagnetism

Maxwell's formulas

Résumé

L'une des principales exigences des textiles intelligents consiste à parvenir à inclure une source d'énergie pour alimenter les systèmes électroniques intégrés. Dans ce contexte, les nanogénérateurs triboélectriques textiles (T-TENG) semblent particulièrement bien adaptés pour jouer ce rôle de manière imperceptible au c÷ur des textiles, ce qui les rend très intéressants pour le développement de futurs appareils autonomes. Cette thèse propose donc une étude théorique et empirique de ces dispositifs. Les différentes modélisations précédemment réalisées se sont d'abord basées sur une approche de Gauss pour tester l'efficacité théorique des TENG. Puis, les équations de Maxwell, combinées à une représentation " par couche " du TENG avec des charges surfaciques, permirent d'affiner les résultats des simulations. Le travail de modélisation soumis ici fait suite à cette représentation grâce à l'emploi des formules de Maxwell " par couche ", mais en utilisant des charges volumiques. Cette modiffication apporte ainsi un niveau de précision supplémentaire et ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension des phénomènes électromagnétiques présents dans les TENG. En parallèle, une campagne de mesure permit d'analyser l'impact des principaux paramètres qui favorisent la production d'énergie comme la fréquence des mouvements imposés, la surface de contact et l'impédance de charge. De plus, de nouveaux effets furent mis en lumière et particulièrement l'importance d'une phase de préfrottements, essentielle à l'utilisation des TENG en tant que source d'énergie.

One of the major requirements for smart textiles is to incorporate an energy source to power integrated electronic systems. In this context, textile triboelectric nanogenerators (T-TENGs) seem particularly well suited to play this role imperceptibly at the heart of textiles, making them very interesting for the development of future autonomous devices. This thesis proposes a theoretical and empirical study of these devices. The various models previously carried out were first based on a Gaussian approach to test the theoretical performance of TENGs. Then, Maxwell's equations, combined with a "per layer" representation of the TENG with surface loads, were used to refine the simulation results. The modeling work presented here follows on from this representation, using Maxwell's formulas "per layer", but with volume loads. This modification provides an additional level of precision and opens up new perspectives for understanding the electromagnetic phenomena present in TENGs. At the same time, a measurement program was carried out to analyze the impact of the main parameters involved in energy generation, such as the frequency of applied movements, contact area and load impedance. In addition, new effects were brought to light, in particular the importance of a pre-sliding phase, essential to the use of TENGs as an energy source.